JP2008515176A - Transistor based on double barrier tunnel junction resonant tunneling effect - Google Patents
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Abstract
本発明は、ダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくトランジスタに関し、基板、エミッタ、ベース、コレクタ、第１トンネルバリア層および第２トンネルバリア層とを備え、第１トンネルバリア層が、エミッタとベースの間に設けられ、第２トンネルバリア層が、ベースとコレクターの間に設けられ、かつエミッタとベース間及びベースとコレクタ間に形成されたトンネル接合の接合面積が１〜１００００μｍ２であり、前記ベースの厚さが当該層材料の電子平均自由行程に匹敵し、前記エミッタ、ベースおよびコレクタの中でただ１つの極(pole)の磁化方向が自由である。ダブルバリア構造を採用するため、ベースとコレクタの間に発生したショットキーバリアを克服している。ベース電流は変調信号であり、ベース又はコレクタの磁化方向を変えることによって、共鳴トンネリング効果を発生し、適当な条件において増幅信号が得られる。The present invention relates to a transistor based on a double barrier tunnel junction resonant tunneling effect, and includes a substrate, an emitter, a base, a collector, a first tunnel barrier layer, and a second tunnel barrier layer, and the first tunnel barrier layer includes an emitter and a base. A junction area of a tunnel junction formed between the emitter and the base and between the base and the collector is 1 to 10,000 μm 2. Of the layer material is comparable to the electron mean free path of the layer material, and the magnetization direction of only one pole in the emitter, base and collector is free. Since the double barrier structure is adopted, the Schottky barrier generated between the base and the collector is overcome. The base current is a modulation signal. By changing the magnetization direction of the base or collector, a resonance tunneling effect is generated, and an amplified signal is obtained under appropriate conditions.
Description
本発明は、固体スイッチ素子及び増幅素子、即ちトランジスタ、特に、ダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくスピントランジスタ素子に関する。 The present invention relates to a solid-state switching element and an amplifying element, that is, a transistor, and in particular, a spin transistor element based on a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect.
１９８８年に、磁気多層膜における巨大磁気抵抗効果(GMR)が発見されてから、物理と材料科学の研究及び応用に大きな進展があった。１９９３年に、ジョンソン(Johnson)は、強磁性金属エミッタと、厚さがスピンの拡散長より小さい非磁性金属ベースと、もう１つの強磁性金属コレクタからなる「強磁性金属／非磁性金属／強磁性金属」サンドイッチのオール金属スピントランジスタを提案している（M. Johnson, Science 260(1993)320）。 Since the discovery of the giant magnetoresistive effect (GMR) in magnetic multilayers in 1988, great progress has been made in the research and application of physics and materials science. In 1993, Johnson made a “ferromagnetic metal / nonmagnetic metal / strong” consisting of a ferromagnetic metal emitter, a nonmagnetic metal base with a thickness less than the diffusion length of the spin, and another ferromagnetic metal collector. A “magnetic metal” sandwich all-metal spin transistor has been proposed (M. Johnson, Science 260 (1993) 320).
図１は、このオール金属スピントランジスタの概要図である。このオール金属トランジスタのスピードは、半導体Ｓｉ素子と近いが、エネルギー消費が１０〜２０倍低く、密度が約５０倍高く、且つ、耐放射線性があり、メモリ機能を備え、将来の量子コンピュータの各種ロジック回路や処理回路等を構成できる。 FIG. 1 is a schematic diagram of this all-metal spin transistor. The speed of this all-metal transistor is close to that of a semiconductor Si element, but energy consumption is 10 to 20 times lower, density is about 50 times higher, radiation resistance is provided, memory functions are provided, and various types of future quantum computers are used. A logic circuit, a processing circuit, or the like can be configured.
その後、ＩＢＭ実験グループは、金属（エミッタ）／アルミナ／強磁性金属（ベース）／半導体（コレクタ）からなるモノバリア磁気トンネル接合スピントランジスタを提案している。 After that, the IBM experimental group has proposed a mono-barrier magnetic tunnel junction spin transistor composed of metal (emitter) / alumina / ferromagnetic metal (base) / semiconductor (collector).
しかしながら、このタイプのトランジスタは、ベースとコレクタの間にショットキー(shottky)バリアがあるため、以下のような不具合がある。（１）ベース−コレクタ間ポテンシャルエネルギーに対する制御が乏しい。（２）エミッタ−ベース間電圧が低下した場合、リーク電流が大きい。（３）コレクタ電流が比較的小さい。 However, this type of transistor has the following problems because it has a Schottky barrier between the base and the collector. (1) Poor control over base-collector potential energy. (2) When the emitter-base voltage decreases, the leakage current is large. (3) The collector current is relatively small.
１９９７年に、ツァン(Zhang)は、理論上、磁気ダブルバリアトンネル接合においてトンネル磁気抵抗(TMR)発振現象があることを予測した（X.D. Zhang, Phys. Rev. B56(1997)5484）。２００２年に、ユアサ(S.Yuasa)は、モノバリア磁気トンネル接合においてスピンポーラ共鳴トンネリング現象を発見した（S.Yuasa, Science 297(2002)234）。 In 1997, Zhang theoretically predicted that there was a tunneling magnetoresistance (TMR) oscillation phenomenon in a magnetic double barrier tunnel junction (X.D. Zhang, Phys. Rev. B56 (1997) 5484). In 2002, S. Yuasa discovered a spin polar resonance tunneling phenomenon in a mono-barrier magnetic tunnel junction (S. Yuasa, Science 297 (2002) 234).
ダブルバリアトンネル接合の共鳴トンネリング効果を利用して製造した共鳴トンネリングスピントランジスタは、上述のような問題を克服でき、大きなコレクタ電流、可変であるベース−コレクタ間電圧、比較的小さいリーク電流、という利点がある。同時に、磁気センサスイッチ、電流増幅素子、発振素子等に応用可能である。 A resonant tunneling spin transistor manufactured using the resonant tunneling effect of a double barrier tunnel junction can overcome the above-mentioned problems, and has the advantages of a large collector current, a variable base-collector voltage, and a relatively small leakage current. There is. At the same time, it can be applied to magnetic sensor switches, current amplification elements, oscillation elements and the like.
しかし、ダブルバリアトンネル接合の研究が少ないため、完全なダブルバリアトンネル接合を製作することが困難であり、現時点では、ダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくスピントランジスタ素子は未だ存在していない。 However, since there are few studies on double barrier tunnel junctions, it is difficult to produce a complete double barrier tunnel junction. At present, no spin transistor element based on the resonant tunneling effect of the double barrier tunnel junction exists.
本発明の目的は、既存のモノバリア磁気トンネル接合スピントランジスタがベース−コレクタ間のポテンシャルエネルギーの制御が乏しく、低いエミッタ−ベース間電圧でのリーク電流が大きく、及びコレクタ電流が比較的小さいという不具合を克服することにある。 The object of the present invention is that the existing mono-barrier magnetic tunnel junction spin transistor has poor control of the potential energy between the base and the collector, the leakage current at a low emitter-base voltage is large, and the collector current is relatively small. It is to overcome.
従って、大きなコレクタ電流、可変であるベース−コレクタ間電圧、そして小さいリーク電流を有し、磁気センサスイッチ、電流増幅素子、発振素子等に応用可能である、ダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくトランジスタを提供する。 Therefore, a transistor based on a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect, which has a large collector current, a variable base-collector voltage, and a small leakage current, and can be applied to a magnetic sensor switch, a current amplifying element, an oscillation element, etc. I will provide a.
本発明の目的は以下のように実現される： The objects of the present invention are realized as follows:
図２に示すように、本発明に係るダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくトランジスタは、基板１と、エミッタ３と、ベース５と、コレクタ７と、エミッタ３とベース５の間に設けられた第１トンネルバリア層４と、ベース５とコレクタ７の間に設けられた第２トンネルバリア層６とを備え、エミッタ３とベース５の間及びベース５とコレクタ７の間に形成されたトンネル接合の接合面積が１μｍ２〜１００００μｍ２であることを特徴とする。
As shown in FIG. 2, the transistor based on the double barrier tunnel junction resonance tunneling effect according to the present invention is provided between the
さらに、前記ベース５の厚さは、当該層材料の電子平均自由行程（mean free path）に匹敵している。前記エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の中でただ１つの極(pole)の磁化方向が自由となっており、即ち、当該層の磁化の方向は印加される外部磁場によって変化する。
Furthermore, the thickness of the
前記基板は、絶縁体または非絶縁体、あるいは半導体で形成される。前記絶縁体は、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４などであり、その基板の厚さは０．３ｍｍ〜５ｍｍである。 The substrate is formed of an insulator, a non-insulator, or a semiconductor. The insulator is Al 2 O 3 , SiO 2 , Si 3 N 4 or the like, and the thickness of the substrate is 0.3 mm to 5 mm.
前記非絶縁体は、Ｃｕ，Ａｌなどである。 The non-insulator is Cu, Al or the like.
前記半導体は、Ｓｉ，Ｇａ，ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓなどである。 The semiconductor is Si, Ga, GaN, GaAs, GaAlAs, InGaAs or InAs.
前記技術手法において、基板が非絶縁体または半導体で形成された場合、基板の上には絶縁体層２が設けられ、当該絶縁体層２の厚さは１０〜５００ｎｍである。前記絶縁体層２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）又は窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などであり、その厚さは５０〜５００ｎｍである。
In the above technique, when the substrate is formed of a non-insulator or a semiconductor, the
前記技術手法において、さらに導電保護層８がエミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられる。当該導電保護層８は、金、白金、銀、アルミニウム、タンタル又は耐酸化金属導電材料で形成され、その厚さは０．５〜１０ｎｍである。
In the above technique, a conductive
前記技術手法において、前記エミッタ３は、強磁性体ＦＭ、半金属磁性体ＨＭ、磁気半導体ＭＳＣ、または有機磁性体ＯＭ、半導体ＳＣ、非磁性金属材料ＮＭ、又は、金属Ｎｂ等、またはＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７などのＣｕ−Ｏシリーズの超伝導材料ＳＰで形成され、その厚さは２ｎｍ〜２０ｎｍである。
In the above technique, the
前記技術手法において、前記ベース５は、強磁性体ＦＭ、半金属磁性体ＨＭ、磁気半導体ＭＳＣ、または有機磁性体ＯＭ、非磁性金属材料ＮＭ、半導体ＳＣで形成され、当該ベース５の厚さは２ｎｍ〜２０ｎｍである。
In the technical method, the
前記技術手法において、前記コレクタ７は、強磁性体ＦＭ、半金属磁性体ＨＭ、磁気半導体ＭＳＣ、又は有機磁性体ＯＭ、非磁性金属材料ＮＭ、半導体ＳＣで形成され、当該コレクタ７の厚さは２ｎｍ〜２０ｎｍである。
In the technical method, the
前記強磁性体は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の３ｄ遷移磁性金属、Ｓｍ，Ｇｄ，Ｎｄ等の希土類金属、Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ，Ｎｉ−Ｆｅ，Ｇｄ−Ｙ等の強磁性合金などである。 The ferromagnetic materials include 3d transition magnetic metals such as Fe, Co, and Ni, rare earth metals such as Sm, Gd, and Nd, and ferromagnetic alloys such as Co—Fe, Co—Fe—B, Ni—Fe, and Gd—Y. Etc.
前記技術手法において、強磁性の磁化方向が反強磁性層でピンニングされ、当該反強磁性層は、Ｉｒ，Ｆｅ，Ｒｈ，Ｐｔ又はＰｄと、Ｍｎとの合金材料で形成され、あるいは他のＣｏＯ，ＮｉＯ，ＰｔＣｒ等の反強磁性体で形成される。 In the above technique, the magnetization direction of ferromagnetism is pinned by an antiferromagnetic layer, and the antiferromagnetic layer is made of an alloy material of Ir, Fe, Rh, Pt or Pd and Mn, or other CoO. , NiO, PtCr, or other antiferromagnetic material.
前記半金属磁性体ＨＭは、Ｆｅ３Ｏ４，ＣｒＯ２，Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３やＣｏ２ＭｎＳｉ等のヒュスラー(Heussler)合金などである。 The metalloid HM is a Heussler alloy such as Fe 3 O 4 , CrO 2 , La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 or Co 2 MnSi.
前記非磁性金属材料ＮＭは、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ａｌ，Ｃｒ又はこれらの合金などである。 The nonmagnetic metal material NM is Au, Ag, Pt, Cu, Ru, Al, Cr, or an alloy thereof.
前記磁気半導体ＭＳＣは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｖ，ＭｎドープのＺｎＯ，ＴｉＯ２，ＨｆＯ２，ＳｎＯ２などであり、さらにＭｎドープのＧａＡｓ，ＩｎＡｓ，ＧａＮ，ＺｎＴｅなどである。 The magnetic semiconductor MSC is Fe, Co, Ni, V, Mn doped ZnO, TiO 2 , HfO 2 , SnO 2 or the like, and Mn doped GaAs, InAs, GaN, ZnTe or the like.
前記有機磁性体ＯＭは、メタロセン（ジシクロペンタジエン金属）高分子有機磁性体やステアリン酸マンガンなどである。 The organic magnetic material OM is a metallocene (dicyclopentadiene metal) polymer organic magnetic material or manganese stearate.
前記半導体ＳＣは、Ｓｉ，Ｇａ，ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓなどである。 The semiconductor SC is Si, Ga, GaN, GaAs, GaAlAs, InGaAs, InAs, or the like.
前記技術手法において、前記第１トンネルバリア層４と第２トンネルバリア層６が絶縁体で形成され、当該絶縁体は、金属酸化物絶縁膜、金属窒化物絶縁膜、有機又は無機材料絶縁膜、ダイヤモンドライク(diamond-like)膜、又はＥｕＳなどである。当該第１トンネルバリア層の厚さは０．５〜３．０ｎｍである。第２トンネルバリア層の厚さは０．５〜４．０ｎｍである。２つのトンネルバリア層の厚さと材料は、同一でもよく、相違してもよい。
In the technical method, the first
前記技術手法において、前記金属酸化物絶縁膜および金属窒化物絶縁膜の金属は、金属元素Ａｌ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｎｂ，Ｇａから選ばれる。 In the above technique, the metal of the metal oxide insulating film and the metal nitride insulating film is selected from the metal elements Al, Mg, Ta, Zr, Zn, Sn, Nb, and Ga.
当該構造におけるベースの厚さが、当該層材料の電子平均自由行程に相当しているため、電子がエミッタからコレクタにトンネリングした時、ベース５で受ける電子の散乱がかなり弱くなるため、電子のスピン位相メモリを保持できる。
Since the thickness of the base in the structure corresponds to the electron mean free path of the layer material, when electrons are tunneled from the emitter to the collector, the scattering of electrons received at the
以上のように構成されたダブルバリアトンネル接合共鳴トンネル効果ベースのトランジスタは、以下の原理によって動作する。 The double barrier tunnel junction resonant tunneling effect based transistor configured as described above operates according to the following principle.
図３を例として説明すると、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７が接地していれば、エミッタ３、ベース５、コレクタ７、第１トンネルバリア層４および第２トンネルバリア層６は熱平衡状態となる。
Referring to FIG. 3 as an example, if the
図４は、実施形態１のダブルバリアトンネル接合電子共鳴トンネリングの概要図であり、トンネリング電子が、エミッタ３とコレクタ７の磁化方向に対して平行または反平行の２つ状態のトンネリング過程を示している。
FIG. 4 is a schematic diagram of double barrier tunnel junction electron resonance tunneling according to the first embodiment, showing a tunneling process in which the tunneling electrons are in two states parallel or antiparallel to the magnetization directions of the
平行状態では、エミッタ３におけるスピン方向がコレクタ７の磁化方向と同一である多数トンネリング電子は、バリアおよび中間金属層をトンネリングできるが、コレクタ７の磁化方向と反対方向の少数スピン電子又は不純物の散乱によってスピン方向が反転した電子は、コレクタ７にトンネリングできない。この場合、コレクタ７に比較的大きな電流が流れる。
In the parallel state, the majority tunneling electrons whose spin direction in the
一方、反平行状態になった場合、スピン方向がコレクタ７の磁化方向と同一である少数トンネリング電子だけが、コレクタ７にトンネリングできるが、スピン方向がコレクタ７の磁化方向と反対である多数トンネリング電子は、コレクタ７にトンネリングできない。この場合、コレクタ７に比較的小さい電流が流れる。このとき、エミッタ３の磁化方向は固定され、コレクタ７の磁化方向は磁場によって変化するため、コレクタ７の磁化方向を変化させることによって、コレクタ７の電流の大きさを変調することができる。
On the other hand, in the antiparallel state, only a few tunneling electrons whose spin direction is the same as the magnetization direction of the
その形成過程について、ベース電流は変調信号であり、コレクタ７の磁化方向を変化させることによって、コレクタ７の信号はベース電流の変調モ―ドと類似するように変調され、即ち、共鳴トンネリング効果を発生し、増幅信号が適当な条件で得られる。
Regarding the formation process, the base current is a modulation signal, and by changing the magnetization direction of the
本発明は、ダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくトランジスタの製造方法を提供し、以下のステップがある。 The present invention provides a method for manufacturing a transistor based on the double barrier tunnel junction resonance tunneling effect, and includes the following steps.
（１）マグネトロンスパッタ装置又は他の成膜装置によって、シリコン基板１上に、厚さが４ｎｍである非磁性金属性層ＮＭ又は半導体層ＳＣ又は磁性体層（ＦＭ，ＨＭ，ＭＳＣ，ＯＭ）からなるベース５を作成する。
(1) From a nonmagnetic metallic layer NM or semiconductor layer SC or magnetic layer (FM, HM, MSC, OM) having a thickness of 4 nm on a
（２）次に、第１トンネルバリア層４および第２トンネルバリア層６を、ベース５の上に形成する。
(2) Next, the first
（３）磁性体材料（強磁性体ＦＭ、又は半金属磁性体ＨＭ、磁気半導体ＭＳＣ、有機磁性体ＯＭなど）からなるエミッタ３とコレクタ７を、トンネルバリア層４，６の上に形成する。
(3) The
（４）異なる保磁力の磁性体を用いてエミッタ３とコレクタ７を作成したり、又は微細加工技術でエミッタ３とコレクタ７の接合面積および形状の相対サイズを制御することによって、エミッタ３とコレクタ７が異なる反転磁場を持つようにする。これにより、一方の磁性電極の磁化方向が相対的に固定され、他方の磁性電極の磁化方向の反転が相対的に自由になる。
(4) The
（５）最後に、金、白金等の耐酸化金属からなる導電保護層８が、ベース５、エミッタ３およびコレクタ７の上に設けられる。
(5) Finally, a conductive
本発明の利点は、以下のようになる。 The advantages of the present invention are as follows.
本発明のダブルバリアトンネル接合トランジスタ素子がダブルバリア構造を採用することによって、ベースとコレクタの間に発生するショットキー(shottky)バリアを克服している。当該トランジスタは、比較的小さいリーク電流と、比較的大きいコレクタ電流を有する。同時に、この構造に基づく素子は、一定の電流又は電圧のゲインがある。即ち、小さい信号の入力でも比較的大きな出力を発生する。その際、ベース電流は変調信号であり、ベース又はコレクタの磁化方向を変えることによって、コレクタ信号はベース電流の変調モードと類似するように変調され、即ち、共鳴トンネリング効果を発生し、適当な条件で増幅信号が得られる。 The double barrier tunnel junction transistor device of the present invention employs a double barrier structure to overcome the Schottky barrier generated between the base and the collector. The transistor has a relatively small leakage current and a relatively large collector current. At the same time, elements based on this structure have a constant current or voltage gain. That is, a relatively large output is generated even when a small signal is input. In this case, the base current is a modulation signal, and by changing the magnetization direction of the base or collector, the collector signal is modulated in a manner similar to the modulation mode of the base current, that is, a resonance tunneling effect is generated, An amplified signal can be obtained.
以下、図面および実施形態を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and embodiments.
（実施形態１）
図３ａを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該ダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタの構成は、厚さが０．４ｍｍであるＳｉ材料を基板１とし、Ｓｉ基板１の上に、ＳｉＯ２からなる１０ｎｍ厚さの絶縁層２を形成し、絶縁層２の上にエミッタ３を形成する。当該エミッタ３は、厚さが１２ｎｍである反強磁性層Ｉｒ−Ｍｎと８ｎｍのＦｅからなり、当該反強磁性層Ｉｒ−Ｍｎは、エミッタ３の磁化方向を固定するために用いられる。
(Embodiment 1)
Referring to FIG. 3a, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. The structure of the spin transistor having the double barrier tunnel junction resonance tunneling effect is that a Si material having a thickness of 0.4 mm is used as a
Ａｌ２Ｏ３材料からなる第１トンネルバリア層４が、エミッタ３の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さが８ｎｍであるベース５が形成される。当該ベース５は、非磁性金属Ｃｕからなる。
A first
Ａｌ２Ｏ３層がベース５の上に形成され、第２トンネルバリア層６として機能し、その第２トンネルバリア層６の厚さは、１．６ｎｍである。
An Al 2 O 3 layer is formed on the
Ｃｏ−Ｆｅ磁性体層からなるコレクタ７が、第２トンネルバリア層６の上に形成され、その厚さは８ｎｍであり、当該コレクタ７の磁化方向は自由で、外部磁場によって変化する。
A
Ｐｔ又はＡｕ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは１０ｎｍである。
A conductive
本実施形態のトランジスタにおいて、エミッタ３とベース５の間、及びベース５とコレクタ７の間に形成されたトンネル接合の接合面積の大きさは、それぞれ１μｍ２である。
In the transistor of this embodiment, the size of the junction area of the tunnel junction formed between the
（実施形態２）
図３ａを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該ダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタの構成は、厚さが０．６ｍｍであるＳｉ材料を基板１とし、Ｓｉ基板１の上に、ＳｉＯ２からなる１００ｎｍ厚の絶縁層２を形成し、絶縁層２の上にエミッタ３を形成する。当該エミッタ３は、厚さが１５ｎｍである反強磁性層Ｆｅ−Ｍｎと４ｎｍのＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３からなり、当該エミッタ３の磁化方向は固定される。
(Embodiment 2)
Referring to FIG. 3a, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. The spin transistor having the double barrier tunnel junction resonant tunneling effect has a structure in which a Si material having a thickness of 0.6 mm is used as a
ＳｒＴｉＯ３材料からなる第１トンネルバリア層４が、エミッタ３の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１．０ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さが４ｎｍであるベース５が形成される。当該ベース５は、非磁性金属Ｒｕからなる。
A first
ＳｒＴｉＯ３層がベース５の上に形成され、第２トンネルバリア層６として機能し、その第２トンネルバリア層６の厚さは、１．３ｎｍである。
An SrTiO 3 layer is formed on the
Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３磁性体層からなるコレクタ７が、第２トンネルバリア層６の上に形成され、その厚さは４ｎｍであり、当該コレクタ７の磁化方向は自由で、外部磁場によって変化する。
A
Ｐｔ又はＡｕ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは６ｎｍである。
A conductive
図５は、当該ダブルバリアトンネル接合電子共鳴トンネリングの概要図である。この構造において、Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３半金属磁性体は、１００％ほどのスピン分極率があるため、エミッタ３とコレクタ７の磁化方向が平行である場合、殆どあらゆる電子がコレクタ７にトンネリングし、この時、コレクタ７には大きな電流が通過する。
FIG. 5 is a schematic diagram of the double barrier tunnel junction electron resonance tunneling. In this structure, the La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 semimetal magnetic material has a spin polarizability of about 100%, so that when the magnetization directions of the
これに対して、エミッタ３とコレクタ７の磁化方向が反対である場合、僅かなトンネリング電子が、散乱又は他の効果によってコレクタ７にトンネリングし、この場合、コレクタ７に比較的小さい電流が通過する。実施形態１で述べた原理と同様に、コレクタ７の磁化方向を変更することによって、エミッタ３とコレクタ７の間にトンネリング電子の共鳴トンネリングが発生し、適当の条件においてコレクタ７に増幅した電流が得られる。
On the other hand, when the magnetization directions of the
本実施形態のトランジスタにおいて、エミッタ３とベース５の間、及びベース５とコレクタ７の間に形成されたトンネル接合の接合面積の大きさは、それぞれ１００μｍ２である。
In the transistor of this embodiment, the size of the junction area of the tunnel junction formed between the
（実施形態３）
図３ａを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該ダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタの構成は、厚さが０．６ｍｍであるＳｉ材料を基板１とし、Ｓｉ基板１の上に、ＳｉＯ２からなる３００ｎｍ厚の絶縁層２を形成し、絶縁層２の上にエミッタ３を形成する。当該エミッタ３は、厚さが４ｎｍであるＧａＭｎＡｓ磁気半導体層からなり、当該エミッタ３の磁化方向は、比較的自由であり、外部磁場によって変化可能である。
(Embodiment 3)
Referring to FIG. 3a, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. The spin transistor having the double barrier tunnel junction resonant tunneling effect is formed by using a Si material having a thickness of 0.6 mm as a
ＭｇＯ材料からなる第１トンネルバリア層４が、エミッタ３の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１．０ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さが５ｎｍであるベース５が形成される。当該ベース５は、非磁性金属材料Ｃｒからなる。
A first
ＭｇＯ層がベース５の上に形成され、第２トンネルバリア層６として機能し、その第２トンネルバリア層６の厚さは、１．３ｎｍである。
An MgO layer is formed on the
ＧａＭｎＡｓ磁気半導体層からなるコレクタ７が、第２トンネルバリア層６の上に形成され、その厚さは８ｎｍである。厚さ２０ｎｍの反強磁性材料ＰｔＣｒが、コレクタ７の上に形成され、コレクタ７の磁化方向を固定するために使用される。
A
Ｐｔ又はＡｕ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは６ｎｍである。
A conductive
本実施形態のトランジスタにおいて、エミッタ３とベース５の間、及びベース５とコレクタ７の間に形成されたトンネル接合の接合面積の大きさは、それぞれ１０００μｍ２である。
In the transistor of this embodiment, the size of the junction area of the tunnel junction formed between the
（実施形態４）
図３ａを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該ダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタの構成は、厚さが１ｍｍであるＡｌ２Ｏ３材料を基板１とし、Ａｌ２Ｏ３基板１の上に、エミッタ３が形成される。当該エミッタ３は、厚さが１５ｎｍである反強磁性層Ｉｒ−Ｍｎと厚さが８ｎｍであるＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金材料層からなり、当該エミッタ３の磁化方向は固定される。
(Embodiment 4)
Referring to FIG. 3a, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. In the configuration of the spin transistor having the double barrier tunnel junction resonance tunneling effect, an Al 2 O 3 material having a thickness of 1 mm is used as the
ＭｇＯ材料からなる第１トンネルバリア層４が、エミッタ３の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１．８ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さが４ｎｍであるベース５が形成される。当該ベース５は、保磁力が比較的大きなＣｏ−Ｆｅ磁性体層からなる。その磁化方向も比較的固定され、かつエミッタ３の磁化方向と平行である。
A first
ＭｇＯ層がベース５の上に形成され、第２トンネルバリア層６として機能し、その第２トンネルバリア層６の厚さは、２．７ｎｍである。
An MgO layer is formed on the
保磁力が比較的小さいＮｉ−Ｆｅ磁性体層からなるコレクタ７が、第２トンネルバリア層６の上に形成され、その厚さは８ｎｍであり、当該コレクタ７の磁化方向は比較的自由で、外部磁場によって変化する。
A
Ｐｔ又はＡｕ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは６ｎｍである。
A conductive
このダブルバリアトンネル接合スピントランジスタの動作原理は以下とおりである。 The operating principle of this double barrier tunnel junction spin transistor is as follows.
図６は、このトランジスタのダブルバリアトンネル接合電子共鳴トンネリングの概要図である。ベース材料は磁性体であるため、その輸送特性はスピンに関係がある。従って、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の磁化方向が平行状態になった場合、エミッタ３において、上、中、下３つの電極の磁化方向と一致する多数電子がベース５と２つのバリア層を貫いてコレクタ７に進入する。しかし、エミッタ３において、上、中、下３つの電極の磁化方向と反対である少数電子が強い散乱作用を受けて、コレクタ７にトンネリングできない。しかしながら、この場合、コレクタ７の電流はやはり大きい。
FIG. 6 is a schematic diagram of double barrier tunnel junction electron resonance tunneling of this transistor. Since the base material is a magnetic material, its transport properties are related to spin. Therefore, when the magnetization directions of the
コレクタ７の磁化方向がベース５の磁化方向と反対になった場合、エミッタ３において多数スピンバンドの電子が第１トンネルバリア層をトンネリングできるものの、コレクタ７の磁化方向と反対になるため、強い散乱作用（鏡面散乱に相当）を受けて、中間ベース５に局在化して発振が生じ、少数トンネリング電子が不純物散乱又は他の非弾性散乱作用を受けて、スピン反転が生じ、第２トンネルバリア層を通じてコレクタ７に進入する。この場合、コレクタ７の電流は比較的小さい。
When the magnetization direction of the
前記実施形態の原理と同じように、コレクタ７の磁化方向を変えることによって、エミッタ３とコレクタ７の間にトンネリング電子の共鳴トンネリングを発生し、適当な条件においてコレクタ７に増幅した電流が得られる。
Similar to the principle of the above embodiment, by changing the magnetization direction of the
本実施形態のトランジスタにおいて、エミッタ３とベース５の間、及びベース５とコレクタ７の間に形成されたトンネル接合の接合面積の大きさは、それぞれ１００００μｍ２である。
In the transistor of this embodiment, the size of the junction area of the tunnel junction formed between the
（実施形態５）
図３ａを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該ダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタの構成は、厚さが１ｍｍであるＳｉ３Ｎ４材料を基板１とし、Ｓｉ３Ｎ４基板１の上に、エミッタ３を形成する。当該エミッタ３は、厚さが１５ｎｍである反強磁性層Ｉｒ−Ｍｎと厚さが８ｎｍであるＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３半金属材料層からなる。当該エミッタ３の磁化方向は、固定される。
(Embodiment 5)
Referring to FIG. 3a, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. In the structure of the spin transistor having the double barrier tunnel junction resonance tunneling effect, a Si 3 N 4 material having a thickness of 1 mm is used as the
ＳｒＴｉＯ３材料からなる第１トンネルバリア層４が、エミッタ３の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１．０ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さが４ｎｍであるベース５が形成される。当該ベース５は、Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３半金属材料層からなる。その磁化方向も比較的固定され、エミッタ３の磁化方向と平行である。
A first
ＳｒＴｉＯ３層がベース５の上に形成され、第２トンネルバリア層６として機能し、その第２トンネルバリア層６の厚さは、１．３ｎｍである。
An SrTiO 3 layer is formed on the
保磁力が比較的小さいＣｏ２ＭｎＳｉ半金属材料層からなるコレクタ７が第２トンネルバリア層６の上に形成され、その厚さは４ｎｍである。当該コレクタ７の磁化方向は比較的自由であり、外部磁場によって変えられる。
A
Ｐｔ又はＡｕ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは６ｎｍである。
A conductive
このダブルバリアトンネル接合スピントランジスタの動作原理は、実施形態４に類似している。 The operation principle of this double barrier tunnel junction spin transistor is similar to that of the fourth embodiment.
図７は、このトランジスタのダブルバリアトンネル接合電子共鳴トンネリングの概要図である。半金属磁性体は１００％ほどのスピン分極率があるため、エミッタ３およびベース５がコレクタ７の磁化方向に平行である場合、殆どあらゆる電子がコレクタ７にトンネリングし、この時、コレクタ７には比較的大きな電流が通過する。
FIG. 7 is a schematic diagram of double barrier tunnel junction electron resonance tunneling of this transistor. Since the semimetal magnetic material has a spin polarizability of about 100%, when the
これに対して、エミッタ３およびベース５がコレクタ７の磁化方向と反対になった場合、僅かなトンネリング電子が散乱又は他の作用によってコレクタ７にトンネリングし、この場合、コレクタ７に小さい電流が通過する。
On the other hand, when the
前記実施形態１に述べた原理と同様に、コレクタ７の磁化方向を変更することによって、エミッタ３とコレクタ７の間にトンネリング電子の共鳴トンネリングが発生し、適当な条件においてコレクタ７に増幅した電流が得られる。
Similar to the principle described in the first embodiment, by changing the magnetization direction of the
（実施形態６）
図３ａを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。この構成は、厚さが１ｍｍであるＳｉ材料を基板１とし、Ｓｉ基板１の上に、ＳｉＯ２からなる５００ｎｍ厚の絶縁層２を形成し、絶縁層２の上にエミッタ３を形成する。当該エミッタ３は、厚さが１５ｎｍである反強磁性層Ｎｉ−Ｍｎと厚さが４ｎｍであるＣｏドープのＺｎＯ磁気半導体層からなり、当該エミッタ３の磁化方向は、固定される。
(Embodiment 6)
Referring to FIG. 3a, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. In this configuration, a Si material having a thickness of 1 mm is used as a
ＺｒＯ２材料からなる第１トンネルバリア層４が、エミッタ３の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１．０ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さが４ｎｍであるベース５が形成される。当該ベース５は、ＣｏドープのＺｎＯ磁気半導体層からなる。その磁化方向は、比較的自由であり、外部磁場によって変えられる。
A first
ＺｒＯ２層がベース５の上に形成され、第２トンネルバリア層６として機能し、その第２トンネルバリア層６の厚さは、１．３ｎｍである。
A ZrO 2 layer is formed on the
厚さが４ｎｍであるＣｏドープのＺｎＯ磁気半導体と厚さが１５ｎｍである反強磁性層Ｎｉ−Ｍｎからなるコレクタ７が、第２トンネルバリア層６の上に形成され、該コレクタ７の磁化方向は比較的固定され、かつエミッタ３の磁化方向と平行である。
A
Ｐｔ又はＴａ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは６ｎｍである。
A conductive
図８は、このトランジスタのダブルバリアトンネル接合電子共鳴トンネリングの概要図である。実施形態４と異なる点は、実施形態４では、コレクタ７の磁化方向を変更することによって、コレクタ７の電流を変更するのに対して、本実施形態では、エミッタ３とコレクタ７の磁化方向が比較的固定され、ベース５の磁化方向だけが自由であるため、ベース５の磁化方向を変更することによって、コレクタ７の電流を変えることができる。その動作原理は、実施形態４と同様であるため、ここで詳細な動作過程を省略する。
FIG. 8 is a schematic diagram of double barrier tunnel junction electron resonance tunneling of this transistor. The difference from the fourth embodiment is that in the fourth embodiment, the current of the
（実施形態７）
図３ａを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該トランジスタの構造は、厚さが１ｍｍであるＧａＡｓ材料を基板１とし、ＧａＡｓ基板１の上に、ＳｉＯ２からなる２６０ｎｍ厚の絶縁層２を形成し、絶縁層２の上にエミッタ３を形成する。当該エミッタ３は、厚さが１０ｎｍである反強磁性層Ｉｒ−Ｍｎと厚さが８ｎｍであるステアリン酸マンガン有機磁性体層からなる。当該エミッタ３の磁化方向は、固定される。
(Embodiment 7)
Referring to FIG. 3a, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. Structure of the transistor, a GaAs material thickness of 1mm and the
Ａｌ２Ｏ３材料からなる第１トンネルバリア層４が、エミッタ３の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１．０ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さが４ｎｍであるベース５が形成される。当該ベース５は、ステアリン酸マンガン有機磁性体層からなる。その磁化方向は比較的自由で、外部磁場によって変えられる。
A first
Ａｌ２Ｏ３層がベース５の上に形成され、第２トンネルバリア層６として機能し、その第２トンネルバリア層６の厚さは、１．３ｎｍである。
An Al 2 O 3 layer is formed on the
厚さが４ｎｍであるステアリン酸マンガン有機磁性体層と厚さが１５ｎｍである反強磁性層Ｉｒ−Ｍｎからなるコレクタ７が、第２トンネルバリア層６の上に形成される。当該コレクタ７の磁化方向は比較的固定され、かつエミッタ３の磁化方向と平行である。
A
Ｐｔ又はＴａ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは６ｎｍである。
A conductive
その動作原理は、実施形態６と同様であるため、ここで詳細な動作過程を省略する。 Since the operation principle is the same as that of the sixth embodiment, a detailed operation process is omitted here.
（実施形態８）
図３ａを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該スピントランジスタの構造は、厚さが１ｍｍであるＧａＡｓ材料を基板１とし、ＧａＡｓ基板１の上に、ＳｉＯ２からなる４００ｎｍ厚の絶縁層２を形成し、絶縁層２の上にエミッタ３を形成する。当該エミッタ３は、厚さが１０ｎｍである反強磁性層Ｉｒ−Ｍｎ、厚さが４ｎｍであるＣｏ−Ｆｅ、厚さが０．９ｎｍであるＲｕ、および厚さが４ｎｍであるＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性体層からなる。当該エミッタ３の磁化方向は固定される。
(Embodiment 8)
Referring to FIG. 3a, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. The spin transistor has a structure in which a GaAs material having a thickness of 1 mm is used as a
ＭｇＯ材料からなる第１トンネルバリア層４が、エミッタ３の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１．８ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さが４ｎｍであるベース５が形成される。当該ベース５は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性体層からなる。その磁化方向は比較的自由であり、外部磁場によって変えられる。
A first
ＭｇＯ層がベース５の上に形成され、第２トンネルバリア層６として機能し、その第２トンネルバリア層６の厚さは、２．５ｎｍである。
An MgO layer is formed on the
厚さが４ｎｍであるＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性体層、厚さが０．９ｎｍであるＲｕ、厚さが４ｎｍであるＣｏ−Ｆｅ、および厚さが１０ｎｍである反強磁性層Ｉｒ−Ｍｎからなるコレクタ７が、第２トンネルバリア層６の上に形成され、当該コレクタ７の磁化方向は比較的固定され、かつエミッタ３の磁化方向と平行である。
From a Co—Fe—B magnetic layer having a thickness of 4 nm, Ru having a thickness of 0.9 nm, Co—Fe having a thickness of 4 nm, and an antiferromagnetic layer Ir—Mn having a thickness of 10 nm. A
Ｐｔ又はＴａ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは６ｎｍである。
A conductive
ここで留意すべき点は、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂは人工反強磁性体であり、本実施形態において反強磁性体Ｉｒ−ＭｎとＣｏ−Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂは人工反強磁性体を採用して、磁気層の磁化方向を固定した点であり、この構造は交換バイアス磁場を増加させるのに有利となり、これによりトランジスタの性能を改善できる。 It should be noted that Co—Fe / Ru / Co—Fe—B is an artificial antiferromagnetic material, and in this embodiment, the antiferromagnetic material Ir—Mn and Co—Fe / Ru / Co—Fe— are used. B is an artificial antiferromagnetic material, and the magnetization direction of the magnetic layer is fixed. This structure is advantageous for increasing the exchange bias magnetic field, thereby improving the performance of the transistor.
その動作原理は、実施形態６と同様であるため、ここで詳細な動作過程を省略する。 Since the operation principle is the same as that of the sixth embodiment, a detailed operation process is omitted here.
（実施形態９）
図３ｂを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該スピントランジスタの構造は、ＳｉまたはＧａＡｓ半導体からなる基板１の上に、ＳｉＯ２又は他のＡｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４絶縁体からなる１２０ｎｍ厚の絶縁層２を形成する。この絶縁層は、ベース５とエミッタ３を絶縁するために使用され、当該半導体基板はエミッタ３として機能する。
(Embodiment 9)
Referring to FIG. 3b, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. In the structure of the spin transistor, an insulating
Ａｌ２Ｏ３又はＭｇＯ材料からなる第１トンネルバリア層４が、エミッタ３の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１．０ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さ６ｎｍのＮｉ−Ｆｅ磁性体層からなるベース５が形成される。当該Ｎｉ−Ｆｅ層の磁化方向は自由であり、外部磁場または電流によって変えられる。
A first
Ａｌ２Ｏ３又はＭｇＯ材料からなる第２トンネルバリア層６がベース５の上に形成されその第２トンネルバリア層６の厚さは、１．６ｎｍである。
A second
Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性体からなる厚さ６ｎｍのコレクタ７が、第２トンネルバリア層６の上に形成され、当該層の磁化方向は、反強磁性層Ｆｅ−Ｍｎによってピンニングされて固定される。
A 6 nm
Ａｕ又はＰｔ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは６ｎｍである。
A conductive
図９は、このトランジスタのダブルバリアトンネル接合電子共鳴トンネリングの概要図である。この図は、トンネリング電子がベース５とコレクタ７の磁化方向に平行と反平行の２つの状態下のトンネリング過程を示している。
FIG. 9 is a schematic diagram of double barrier tunnel junction electron resonance tunneling of this transistor. This figure shows the tunneling process under two states in which the tunneling electrons are parallel and antiparallel to the magnetization directions of the
平行状態である場合、エミッタ３において、スピン方向とコレクタ７の磁化方向が同一である多数トンネリング電子が、バリアと中間ベース５をトンネリングできるが、コレクタ７の磁化方向と反対である少数スピン電子、又は不純物散乱によりスピン方向が反転した電子はコレクタ７にトンネリングできない。この場合、コレクタ７には比較的大きな電流が流れる。
In the parallel state, in the
一方、反平行状態になった場合、スピン方向がコレクタ７の磁化方向と同一である少数トンネリング電子だけが、コレクタ７にトンネリングできるが、スピン方向がコレクタ７の磁化方向と反対である多数トンネリング電子は、コレクタ７にトンネリングできない。この場合、コレクタ７には比較的小さい電流が流れる。同時に、コレクタ７の磁化方向が固定され、かつベース５の磁化方向が磁場によって変化するため、ベース５の磁化方向を変えることによって、コレクタ７の電流の大きさが変化する。
On the other hand, in the antiparallel state, only a few tunneling electrons whose spin direction is the same as the magnetization direction of the
その形成過程は、ベース５の電流は変調信号であり、ベース５の磁化方向を変えることによって、コレクタ７の信号は、ベース５の電流の変調モデルに類似するように変調され、即ち、共鳴トンネリング効果が発生し、適当な条件において増幅信号が得られる。
In the formation process, the current of the
（実施形態１０）
図３ｂを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該スピントランジスタの構造は、ＳｉまたはＧａＡｓ半導体からなる基板１の上に、ＳｉＯ２又は類似の材料からなる３６０ｎｍ厚の絶縁層２を形成する。絶縁層２の上に、厚さが１０ｎｍである超導体材料ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７からなるエミッタ３を形成する。
(Embodiment 10)
Referring to FIG. 3b, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. In the structure of the spin transistor, an insulating
Ａｌ２Ｏ３材料からなる第１トンネルバリア層４が、エミッタ３の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１．０ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さ３ｎｍのＳｍ磁性体層からなるベース５が形成される。当該Ｓｍ層の磁化方向は自由であり、外部磁場または電流によって変えられる。
A first
Ａｌ２Ｏ３材料からなる第２トンネルバリア層６がベース５の上に形成されその第２トンネルバリア層６の厚さは、１．６ｎｍである。
A second
Ｇｄ−Ｙ磁性体からなる厚さ６ｎｍのコレクタ７が、第２トンネルバリア層６の上に形成され、当該層の磁化方向は、反強磁性層Ｐｄ−ＭｎまたはＲｈ−Ｍｎによってピンニングされて固定される。
A
Ａｕ又はＴａ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは５ｎｍである。
A conductive
その動作原理は、実施形態９と同様であるため、ここで詳細な動作過程を省略する。 Since the operation principle is the same as that of the ninth embodiment, the detailed operation process is omitted here.
（実施形態１１）
図３ｃを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該スピントランジスタの構造は、ＳｉまたはＧａＡｓ半導体からなる基板１の上に、ＳｉＯ２又は類似の材料からなる３６０ｎｍ厚の絶縁層２を形成する。この絶縁層は、ベース５とコレクタ７を絶縁するために使用され、当該半導体基板はコレクタ７として機能する。
(Embodiment 11)
Referring to FIG. 3c, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. In the structure of the spin transistor, an insulating
Ａｌ２Ｏ３又はＭｇＯ材料からなる第１トンネルバリア層４が、コレクタ７の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１．０ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さ４ｎｍのＮｉ−Ｆｅ磁性体層からなるベース５が形成される。当該Ｎｉ−Ｆｅ層の磁化方向は自由であり、外部磁場または電流によって変えられる。
A first
Ａｌ２Ｏ３又はＭｇＯ材料からなる第２トンネルバリア層６がベース５の上に形成されその第２トンネルバリア層６の厚さは、１．６ｎｍである。
A second
Ｃｏ−Ｆｅ磁性体からなる厚さ６ｎｍのエミッタ３が、第２トンネルバリア層６の上に形成され、当該層の磁化方向は、反強磁性層Ｐｔ−Ｍｎによってピンニングされて固定される。
A 6 nm
Ａｕ又はＰｔ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは６ｎｍである。
A conductive
その動作原理は、実施形態６と同様であるため、ここで詳細な動作過程を省略する。 Since the operation principle is the same as that of the sixth embodiment, a detailed operation process is omitted here.
（実施形態１２）
図３ａを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該スピントランジスタの構造は、ＧａＮまたはＧａＡｓ半導体からなる基板１の上に、ＳｉＯ２又は類似の材料からなる１００ｎｍ厚の絶縁層２を形成する。絶縁層２の上に、厚さが１０ｎｍである非磁性金属Ｃｕからなるエミッタ３を形成する。
Embodiment 12
Referring to FIG. 3a, a spin transistor having a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect of the present invention is provided. In the structure of the spin transistor, an insulating
Ａｌ２Ｏ３又はＭｇＯ材料からなる第１トンネルバリア層４が、エミッタ３の上に形成される。その第１トンネルバリア層４の厚さは、１．０ｎｍである。第１トンネルバリア層４の上に、厚さ５ｎｍのＣｒＯ２磁性体層からなるベース５が形成される。当該Ｎｉ−Ｆｅ層の磁化方向は自由であり、外部磁場または電流によって変えられる。
A first
Ａｌ２Ｏ３又はＭｇＯ材料からなる第２トンネルバリア層６がベース５の上に形成されその第２トンネルバリア層６の厚さは、１．６ｎｍである。
A second
ＣｒＯ２半金属材料からなる厚さ６ｎｍのエミッタ３が、第２トンネルバリア層６の上に形成され、当該層の磁化方向は、反強磁性層Ｎｉ−Ｍｎによってピンニングされて固定される。
A 6 nm
Ａｕ又はＴａ材料からなる導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、導電保護層８の厚さは５ｎｍである。
A conductive
（実施形態１３）
図３ｄを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。ＩｎＧａＡｓ半導体からなる基板１の上に、厚さ１０ｎｍのＧａＡｓからなるベース５を形成する。
(Embodiment 13)
Referring to FIG. 3d, a double barrier tunnel junction resonant tunneling effect spin transistor of the present invention is provided. A
Ａｌ２Ｏ３からなる第１トンネルバリア層４，６が、ベース５の上に形成される。厚さ８ｎｍであるＣｏ−Ｆｅからなるエミッタ３およびコレクタ７が第１トンネルバリア層４，６の上に形成され、その厚さは６ｎｍである。
First tunnel barrier layers 4 and 6 made of Al 2 O 3 are formed on the
フォトエッチング等の微細加工技術を用いて、エミッタ３とコレクタ７の接合エリアの相対大きさを制御し、これらの反転磁場を相違させる。これにより、一方の磁性電極の磁化方向が比較的固定され、他方の磁性電極が比較的自由になる。
Using a microfabrication technique such as photoetching, the relative size of the junction area between the
Ａｕ材料からなる厚さ６ｎｍの導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、その厚さは８ｎｍである。そのうち、エミッタ３とコレクタ７の間の距離は５μｍ未満である。
A conductive
（実施形態１４）
図３ｄを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該スピントランジスタの構造は、Ｓｉ半導体からなる基板１の上に、厚さ１０ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなるベース５を形成する。
(Embodiment 14)
Referring to FIG. 3d, a double barrier tunnel junction resonant tunneling effect spin transistor of the present invention is provided. In the structure of the spin transistor, a
ＭｇＯからなる第１トンネルバリア層４，６が、ベース５の上に形成される。厚さ１５ｎｍである反強磁性材料Ｉｒ−Ｍｎと厚さ６ｎｍであるＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３からなるエミッタ３およびコレクタ７が、第１トンネルバリア層４，６の上に形成され、反強磁性材料Ｉｒ−ＭｎはＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３の上に形成した。
First tunnel barrier layers 4 and 6 made of MgO are formed on the
フォトエッチング等の微細加工技術を用いて、エミッタ３とコレクタ７の接合エリアの相対大きさを制御する。
The relative size of the junction area between the
Ａｕ材料からなる厚さ６ｎｍの導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、その厚さは８ｎｍである。そのうち、エミッタ３とコレクタ７の間の距離は１μｍ未満である。
A conductive
（実施形態１５）
図３ｄを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該スピントランジスタの構造は、Ｓｉ半導体からなる基板１の上に、厚さ４ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなるベース５を形成する。
(Embodiment 15)
Referring to FIG. 3d, a double barrier tunnel junction resonant tunneling effect spin transistor of the present invention is provided. In the structure of the spin transistor, a
ＡｌＮからなる第１トンネルバリア層４，６が、ベース５の上に形成される。厚さ１５ｎｍである反強磁性材料ＮｉＯと厚さ６ｎｍであるＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３からなるエミッタ３およびコレクタ７が、第１トンネルバリア層４，６の上に形成され、反強磁性材料ＮｉＯはＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３の上に形成した。
First tunnel barrier layers 4 and 6 made of AlN are formed on the
フォトエッチング等の微細加工技術を用いて、エミッタ３とコレクタ７の接合エリアの相対大きさを制御する。
The relative size of the junction area between the
Ａｕ材料からなる厚さ６ｎｍの導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、その厚さは８ｎｍである。
A conductive
（実施形態１６）
図３ｄを参照して、本発明のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果のスピントランジスタが提供される。当該スピントランジスタの構造は、ＩｎＡｓ半導体からなる基板１の上に、厚さ４ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなるベース５を形成する。
(Embodiment 16)
Referring to FIG. 3d, a double barrier tunnel junction resonant tunneling effect spin transistor of the present invention is provided. In the structure of the spin transistor, a
ＥｕＳからなる第１トンネルバリア層４，６が、ベース５の上に形成される。厚さ１５ｎｍである反強磁性材料ＮｉＯと厚さ４ｎｍであるＭｎドープＨｆＯ２磁気半導体からなるエミッタ３およびコレクタ７が、第１トンネルバリア層４，６の上に形成され、反強磁性材料ＮｉＯはＭｎドープＨｆＯ２磁気半導体の上に形成した。
First tunnel barrier layers 4 and 6 made of EuS are formed on the
フォトエッチング等の微細加工技術を用いて、エミッタ３とコレクタ７の接合エリアの相対大きさを制御する。
The relative size of the junction area between the
Ａｕ材料からなる厚さ６ｎｍの導電保護層８が、エミッタ３、ベース５およびコレクタ７の上に設けられ、その厚さは８ｎｍである。
A conductive
以上、図面とともに本発明を充分に説明したが、留意すべきは本分野の当業者にとって、各種の変更および修正が可能である。従って、この変更および修正が本発明の範囲を逸脱しない限り、これらは全て本発明の範囲に含まれる。 Although the present invention has been fully described with reference to the drawings, it should be noted that various changes and modifications can be made by those skilled in the art. Therefore, unless these changes and modifications depart from the scope of the present invention, they are all included in the scope of the present invention.
１ 基板
２ 絶縁層
３ エミッタ
４ 第１トンネルバリア層
５ ベース
６ 第２トンネルバリア層
７ コレクタ
８ 導電保護層
DESCRIPTION OF
Claims (14)
第２トンネルバリア層（６）をさらに含み、
当該第２トンネルバリア層（６）は、ベース（５）とコレクタ（７）の間に設けられ、
エミッタ（３）とベース（５）の間、及びベース（５）とコレクタ（７）の間に形成されたトンネル接合の接合面積が、１μｍ２〜１００００μｍ２であり、
前記ベース（５）の厚さが、当該層材料の電子平均自由行程に匹敵しており、
前記エミッタ（３）、ベース（５）およびコレクタ（７）の中でただ１つの極(pole)の磁化方向が自由であることを特徴とするダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくトランジスタ。 A substrate (1), an emitter (3), a base (5), a collector (7), and a first tunnel barrier layer (4) are provided, and the first tunnel barrier layer (4) is formed of the emitter (3) and the base (5). In a transistor based on the resonant tunneling effect of a double barrier tunnel junction provided between,
Further comprising a second tunnel barrier layer (6),
The second tunnel barrier layer (6) is provided between the base (5) and the collector (7),
Between the emitter (3) and the base (5), and the bonding area of the formed tunnel junction between the base (5) and the collector (7) is a 1μm 2 ~10000μm 2,
The thickness of the base (5) is comparable to the electron mean free path of the layer material;
A transistor based on a double barrier tunnel junction resonant tunneling effect, characterized in that the magnetization direction of only one pole in the emitter (3), base (5) and collector (7) is free.
前記絶縁体は、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４を含み、
前記非絶縁体は、Ｃｕ又はＡｌを含み、
前記半導体は、Ｓｉ，Ｇａ，ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓを含むことを特徴とする請求項１記載のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくトランジスタ。 The substrate (1) is formed of an insulator, a non-insulator, or a semiconductor, and the thickness of the substrate (1) is 0.3 mm to 5 mm,
The insulator includes Al 2 O 3 , SiO 2 , Si 3 N 4 ,
The non-insulator includes Cu or Al,
2. The transistor according to claim 1, wherein the semiconductor includes Si, Ga, GaN, GaAs, GaAlAs, InGaAs, or InAs.
前記絶縁体層（２）は、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉ３Ｎ４を含み、その厚さは５０〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項２記載のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくトランジスタ。 When the substrate (1) is formed of a non-insulator or a semiconductor, an insulator layer (2) is provided on the substrate, and the insulator layer (2) has a thickness of 10 to 500 nm.
The insulator layer (2) comprises Al 2 O 3 or Si 3 N 4, the thickness thereof is based on a double barrier tunnel junction resonant tunneling effect according to claim 2, characterized in that the 50~500nm transistor .
当該導電保護層（８）は、エミッタ（３）、ベース（５）およびコレクタ（７）の上に設けられ、
当該導電保護層（８）は、金、白金、銀、アルミニウム、タンタル又は耐酸化金属導電材料で形成され、その厚さは０．５〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１または３記載のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくトランジスタ。 A conductive protective layer (8);
The conductive protective layer (8) is provided on the emitter (3), the base (5) and the collector (7),
The conductive protective layer (8) is formed of gold, platinum, silver, aluminum, tantalum or an oxidation-resistant metal conductive material, and has a thickness of 0.5 to 10 nm. Transistors based on the double barrier tunnel junction resonant tunneling effect.
前記エミッタ（３）は、金属Ｎｂ、またはＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７のＣｕ−Ｏシリーズの超伝導材料ＳＰで形成され、
前記エミッタ（３）、ベース（５）またはコレクタ（７）の厚さは、２ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項１，３または４記載のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくトランジスタ。 The emitter (3), base (5) or collector (7) is formed of a ferromagnetic material, a semi-metallic magnetic material, a magnetic semiconductor, an organic magnetic material, a semiconductor or a non-magnetic metal material,
The emitter (3) is formed of a metal Nb or a superconducting material SP of the Cu—O series of YBa 2 Cu 3 O 7 ,
5. The transistor based on a double barrier tunnel junction resonance tunneling effect according to claim 1, wherein the emitter (3), base (5) or collector (7) has a thickness of 2 nm to 20 nm.
当該絶縁体は、金属酸化物絶縁膜、金属窒化物絶縁膜、有機又は無機材料絶縁膜、ダイヤモンドライク(diamond-like)膜、又はＥｕＳを含み、
当該第１トンネルバリア層の厚さは０．５〜３．０ｎｍであり、第２トンネルバリア層の厚さは０．５〜４．０ｎｍであり、
２つのトンネルバリア層の厚さと材料は、同一または相違していることを特徴とする請求項１または４記載のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくトランジスタ。 The first tunnel barrier layer (4) and the second tunnel barrier layer (6) are formed of an insulator;
The insulator includes a metal oxide insulating film, a metal nitride insulating film, an organic or inorganic material insulating film, a diamond-like film, or EuS,
The thickness of the first tunnel barrier layer is 0.5 to 3.0 nm, the thickness of the second tunnel barrier layer is 0.5 to 4.0 nm,
5. The transistor based on a double barrier tunnel junction resonant tunneling effect according to claim 1, wherein the thickness and material of the two tunnel barrier layers are the same or different.
当該反強磁性層は、Ｉｒ，Ｆｅ，Ｒｈ，Ｐｔ又はＰｄと、Ｍｎとの合金材料で形成され、あるいはＣｏＯ，ＮｉＯ，ＰｔＣｒ等の反強磁性体で形成されることを特徴とする請求項６記載のダブルバリアトンネル接合共鳴トンネリング効果に基づくトランジスタ。 The ferromagnetic magnetization direction is pinned by an antiferromagnetic layer;
The antiferromagnetic layer is formed of an alloy material of Ir, Fe, Rh, Pt, or Pd and Mn, or an antiferromagnetic material such as CoO, NiO, or PtCr. 6. A transistor based on the double barrier tunnel junction resonance tunneling effect according to 6.
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